噪声与振动控制技术及在生产实践中的应用案例

噪声与振动控制技术及在生产实践中的应用案例一.噪声1噪声概述物体的振动产生声音。例如，人的讲话声来自声带的振动、各种机器运转中发出的噪声来源于机械结构之间的撞击和摩擦。我们把能够发声的物体叫做声源。声源可以是固体，也可以是流体，流噪声主要是由于流体本身的剧烈运动引起的。例如，飞机在飞行过程中产生的流噪声就是典型的流体发声。声源发出的声音必须通过介质才能传播出去，按照固体、空气、水等传播介质的不同，声音可划分为结构声、空气声、水声等类型。在噪声控制中，人们普遍关心的是空气声和水声，其中工业噪声控制中空气声是最主要的。所谓噪声，就是人们不需要的声音。噪声有的是自然现象引起的，而有的则是人为活动造成的。随着工业生产和交通运输的迅猛发展，噪声源越来越多，所发出的噪声也越来越强，我们生存的环境越来越严重地受到噪声的污染。噪声控制的目的就是要获得适当的声学环境，把噪声污染限制在可容许的范围内。本章主要介绍几种主要的声波形式和典型声源及其声辐射特性，它是噪声控制的重要基础。2噪声控制的一般步骤噪声污染是一种物理性污染，它的特点是局部性的和无后效应的。声源停止辐射，噪声污染就消失了。在任何噪声环境中，声源发出噪声并向外界辐射的过程可以用示意图简单描述。噪声传播示意图噪声源、传播途径和接收者3个环节是噪声控制中必须考虑的，相应的措施包括：声源控制、传播途径控制和保护接收者3个方面。声源控制是噪声控制中最根本和最有效的手段，也是近年来最受重视的问题。研究各种声源的发生机理、控制和降低噪声的发生是根本性措施。目前在声源的控制上主要采用两种办法：一是改进设备结构，提高加工和装配质量，以降低声源的辐射声功率；二是利用声的吸收、反射、干涉等特性，采用吸声、隔声、减振等技术措施控制声源的声辐射。采用不同的控制方法，可以收到不同的降噪效果，通常可以降低噪声。传播途径中的控制是最常用的方法，因为当机器或工程已经完成后，再从声源上来控制就受到限制了，但从声的传播途径上控制却是大有可为、效果明显。这方面的方法有很多，如隔声、隔振处理以及隔声屏障、隔声间的使用等都是有效措施；吸声处理也是一种有效措施。对传播途径的处理实质上就是增加声在传播过程中的衰减，减少传输能量。对接收者的保护也是一个重要手段，是环境保护的目标。接收者可以是人，也可以是灵敏的设备（如电子显微镜、激光器、灵敏仪器等）。工人可以佩带护耳器（如耳罩或耳塞）或在隔声间操作等加以保护；仪器设备可以采取隔声、隔振设计等手段加以保护。二.振动1振动概述声音的本质就是气体、液体、固体介质中的质点振动，声音的产生和传播都离不开介质的力学振动行为。一阵微风吹来，人们就会听到树叶运动而发出“沙沙”的响声。音乐家轻轻拨动琴弦，提琴就会发出美妙的曲调。医生将听筒的一端置于病人的心脏部位，就能从另一端接听到心脏“嘭嘭”跳动的声音。这些都是振动产生和传播声音的例子。声有有利的一面，也有有害的一面。人们把不和谐的、令人反感的声音称为噪声。要抑制噪声的发生和传播，就必须了解噪声产生的原因和传播的规律，也就必须具备振动基本知识。在我们生活的这个世界上，振动现象是无处不在的。世界上所有的物质都处在运动中，运动的方式千姿百态，而振动就是物体运动的一种十分重要和特殊的形式。物体在振动过程中，某些物理量（比如位移、速度、加速度、电流、压力等等）时大时小，发生周期性变化。比如钟摆的周期性摆动、气轮机主轴和叶轮在周期旋转过程中由于微小的偏心而产生的振动、汽车在凹凸不平的路面上行驶受到路面不断激励所发生的振动、高层建筑在风力作用下发生摇摆振动，等等。2振动控制过程概述振动控制过程与噪声控制类似，但比较复杂。从不同的观点出发，已形成不同的控制分类方法，但受到普遍重视且广泛采用的振动控制方法如下图所示。振动控制过程示意图1．控制振动源振动，即消振。消除或减弱振源，这是最彻底和最有效的办法。因为受控对象的响应是由振源激励引起的，外因消除或减弱，响应自然也消除或减弱。如改善机器的平衡性能、改变扰动力的作用方向、增加机组的质量、在机器上装设动力吸振器等。这里要特别强调的是一定要控制共振。共振是振动的一种特殊状态，当振动机械所受到的扰动力的频率与设备固有频率相一致的时候，就会使设备振动得更加厉害，甚至起到放大作用，这种现象称为共振。2．隔振。使振动传输不出去，从而不会造成影响。通常是在振源与受控对象之间串加一个子系统来实现隔振，用以减小受控对象对振源激励的响应，这是一个应用非常广泛的减振技术。具体说来，可以有以下几种方法实现隔振：1）采用大型基础，这是最常用和最原始的办法；2）防振沟。在机械振动基础的四周开有一定宽度和深度的沟槽，里面填以松软物质（如木屑、沙子等），用来隔离振动的传递。3）采用隔振元件，通常在振动设备下安装隔振器，如隔振弹簧、橡胶垫等，使设备和基础之间的刚性连接变成弹性支撑。3．吸振，又称动力吸振。在受控对象上附加一个子系统使得某一频率的振动得到控制，称为动力吸振，也就是利用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应，这种技术应用也十分广泛。4．阻振，又称阻尼减振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量使响应最小，也常用外加阻尼材料的方法来增大阻尼。阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减；还可减弱共振频率附近的振动。阻尼材料是具有内损耗、内摩擦的材料，如沥青、软橡胶以及其它高分子涂料。5．修改结构。这是一个高技术手段，目前非常引人注目。它实际上是通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满足预定的要求，不需要附加任何子系统的振动控制方法。所谓动力学特性参数是指影响受控对象质量、刚度与阻尼特性的那些参数，如惯性元件的质量、转动惯量及其分布等。除上述之外，也有按要否能源、将振动控制分为无源振动控制与有源振动控制，前者又称为被动振动控制，后者又称为主动振动控制。主动振动控制包括开环控制和闭环控制，技术上难度大，目前发展比较迅速。但它的理论与技术已大大超出本课程的范围，这里不予赘述。三.应用案例----风机噪声与振动控制1前言位于城市生括区和实验室中的风机在运行中产生的噪声严重地污染了环境，影响了人们的工作、学习和休息。我们通过对电除尘器模拟实验系统的风机的降噪治理，对风机噪声的控制进行了研究。该系统配有风机一台(功率13kW，转速2900r／min,压头302mmH2O(1mmH2O=9．80665Pa))，经实测，风机近声场噪声高达112．5dB(A)，远远超过了我国卫生部和国家劳动总局1979年批准颁发的规定，即工业企业的生产车间和实验室等作业场所的噪声标准为80dB(A)，最高不得超过85dB(A)。为了改善噪声对实验室内环境的污染，我们对该风机进行了隔振和消声治理。治理后使室内噪声级从112.5dB(A)降至78dB(A)，治理效果达到了设计目的。2风机噪声特性分析从风机产生噪声的机理和机组向外辐射的噪声来分析，风机运转时主要产生以下几种不同类型的噪声：(1)由于风机运转而引起的振动所造成的固体声。(2)风机运转时机壳轴承联轴节等发出的机械噪声。(3)由于气流通过风机尺寸不一致的进、出口时发生压力变化引起气体脉动而造成的气流噪声。在上述噪声中，其中以气流噪声占主导地位，也是治理重点，其次是机座传递的固体声，在对风机进行噪声控制时应主要考虑这两部分噪声的影响。3隔振设计风机基于加工、制造和安装上的原因，其旋转部件高速旋转时，不平衡质量产生的振动重危及风机的正常运行，轻则造成噪声污染。为了减小振动能量传递，降低因振动而产生的噪声，在风机安装前对风机基座采取以下隔振设计技术措施。3．1质量隔振质量隔振，即参考风机外形尺寸(mm)：1000×400×800，设计了一个较大的混凝土基座(mm)：1400×1400×1400，在基座上安装风机，以减少风机的振动。3．2隔振垫为了达到更好的减振降噪效果，我们将风机与基座的接触面垫了20ram厚的橡胶垫，使风机与基座无刚性接触，以便消减其振动幅度，从而达到降低固体声的目的。3．3防振沟为了防止振动波沿地面传播，在基座四周挖了防振沟，淘内充填成本低廉的木屑沙。具体结构见图1。图1风机基础土建图（尺寸单位：mm）4噪声测量与分析4．1噪声的测量为了掌握隔振后风机噪声级的大小和室内噪声分布特点，找出该风机噪声的主要频率成分和类型，以便设计合理的消声装置，我们使用ND2精密声级计，按照噪声测量标准对运行状态下的风机近声场(测点距风机1m，高1m)和实验工作位置的噪声声级与频谱及环境噪声进行了测量。测点布置见图2所示，测量结果见表1(治前)和表2(治前)。从表1数据可看出，隔振后(即风机消声装置安装前)离风机外壳1m处的噪声级为102dB(A)，与没做隔振处理前相比噪声降低10.5dB(A)。图2噪声测点分布平面示意图表1风机消声装置安装前后室内噪声测量结果4．2噪声特性分析从风机附近及工作位置的噪声可看出该室噪声仍普遍偏高。为了进一步掌握风机噪声的成分及噪声的传播特性，以便找出关键噪声控制措施，我们对风机近声场的噪声进行了倍频程频谱分析，如图3曲线Ⅰ所示。从图3可看出，风机的频谱峰值大致集中在31．5Hz～2kHz，而在500Hz频率处出现峰值，其原因是由于风机叶片在高速旋转时与空气相对运动产生的旋转噪声所致。风机旋转噪声的主要峰值频率可由下式计算：f=𝑛·z60=485（Hz）式中n--叶轮转数，2900r／min；z--叶片数，该风机为10片。因此可证实500Hz频率出现的峰值和风机叶片的通过频率一致，即风机的主要噪声是旋转噪声通过以上测试分析，找出了该风机噪声呈中频的特点和峰值频率，为消声器选型设计提供了可靠依据。5噪声控制设计为便于加工和安装检修方便，该风机消声装置设计为拼装式，即对风机入、出口设计了相应的消声器，对风桃本体采用隔声罩，如图4所示。图4噪声控制装置示意图5．1风机出、入口消声器的设计(1)结构设计为了有效治理出、人口处的气流噪声，根据降噪要求和噪声的特点，设计了直管阻抗复台消声器。设计消声器罩进风面积为气流通道面积的1.2倍。消声器长1100mm，外径Φ760mm，内径Φ360mm,-具体结构如图5所示。图5出、入口消声器结构示意图a——穿孔扳(人口管道打孔，开孔Φ6，三角形排列，开孔率25％)b——超细驻璃棉，吸声容重20kg／𝑚3c——玻璃纤维包扎布d——木屑层e——0.5mm镀锌板，开孔Φ1，开孔率1％f——空气腔g——护罩钢板。厚15mm(2)孔板固有频率的计算在设计穿孔板吸声结构时，要保证孔板固有频率与风机扰动频率基本一致，才能发生共振吸声作用。该风机噪声峰值频率为485Hz，孔板设计采用0.05cm镀锌板，开孔Φ1，开孔率1％，其固有频率为𝑓𝑐=𝑐2𝜋√𝑃𝐿𝐾𝐷=34002𝜋√0.01(0.05+0.8×0.1)×10≈475（Hz）式中c——声速(常温下取3400cm／s)；P——穿孔率，％；𝐿𝐾——孔径有效长度，cm；𝐿𝐾=t+0.8d；t——钢板厚度，cm；D——空气腔宽度，cm。(3)吸声材料的选择目前使用的吸声材料种类较多，阻性消声器最常用的吸声材料是超细玻璃棉。本设计采用容重为20kg／𝑚3的超细玻璃棉及木屑。玻璃棉这种吸声材料具有较好的吸声特性，木屑不但有较好的吸声特性，而且又经济，隔振设计采用了木屑，证实吸声降噪效果较好。(4)消声器消声量的确定微穿孔板消声器的设计方法与阻性消声器基本相同。不同之处在于用微穿孔板吸声结构代替了阻性吸声材料，其消声量和单一阻性消声器消声量计算方法相同，也用彼洛夫公式进行计算，所以该微穿孔扳阻性组合式消声器的消声量约是单一阻性消声器消声量的2倍，即ΔL=ψ(𝑎0)×P×𝐿𝑆×2=13×2=26(dB)式中：ΔL为消声器消声量，dB；S为气流通道横截面积，𝑚2；Ψ（𝑎0）为消声系数查表超细玻璃棉厚10cm，容重20kg／m3，频率约为500Hz时吸声系数为085，则消声系数为1.2；P为气流通道断面的周长，m；L为消声器长度，m。(5)消声器的柔性安装为了隔绝机械噪声的传递，出、